DE102014003801B3 - Flow cell with variable layer thickness - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung beschreibt eine prozesstaugliche Durchflussküvette für optische Anwendungen, welche insbesondere für mikroskopische Untersuchungen im Rahmen einer automatisierten Prozesssteuerung geeignet ist. Als Besonderheit erlaubt die Vorrichtung eine druckgesteuerte Veränderung der Schichtdicke. Die Erfindung sieht einen geschlossenen Behälter mit Zu- und Ablauf vor, in welchem an zwei gegenüberliegenden Seiten optische Komponenten angebracht sind, deren Abstand zueinander verändert werden kann und hierbei sehr geringe Abstände realisiert werden können. Hierdurch ist es möglich für eine Durchspülung den Abstand zwischen den beiden optischen Komponenten zu vergrößern und für eine optische Messung den Abstand der beiden optischen Komponenten zu verringern. Die Veränderung der Schichtdicke wird durch die Verwendung eines elastisch verformbaren Bauteils ermöglicht, dessen Verformung auf besonders einfache Art durch Anlegen eines Über- bzw. Unterdrucks innerhalb bzw. außerhalb der Küvette gesteuert werden kann.The invention describes a process-suitable flow cell for optical applications, which is particularly suitable for microscopic examinations in the context of automated process control. As a special feature, the device allows a pressure-controlled change in the layer thickness. The invention provides a closed container with inlet and outlet in which are mounted on two opposite sides of optical components whose distance from each other can be changed and in this case very small distances can be realized. This makes it possible for a flushing to increase the distance between the two optical components and to reduce the distance between the two optical components for an optical measurement. The change in the layer thickness is made possible by the use of an elastically deformable component whose deformation can be controlled in a particularly simple manner by applying an overpressure or underpressure inside or outside the cuvette.
Description
Die Erfindung betrifft eine prozesstaugliche Durchflussküvette für optische Anwendungen, welche insbesondere für mikroskopische Untersuchungen im Rahmen einer automatisierten Prozess-steuerung geeignet ist. Die Vorrichtung erlaubt eine druckgesteuerte Veränderung der Schichtdicke.The invention relates to a process-flow cuvette for optical applications, which is particularly suitable for microscopic examinations in the context of automated process control. The device allows a pressure-controlled change in the layer thickness.
Stand der Technik:State of the art:
Um eine Probe mittels eines Mikroskops untersuchen zu können, ist es allgemein nötig, die Probenflüssigkeit auf einen Objektträger (OT) aufzubringen und mittels eines Deckgläschens (DG) flachzudrücken. Das Flachdrücken dient hierbei dem Zweck, die Probe ganzheitlich in die Schärfeebene des Objektives zu bewegen, wohingegen die Minimierung der Schichtdicke den Zweck verfolgt zu verhindern, dass Objekte hinter der Schärfeebene des Objektives liegen können. Dies würde die Bildqualität negativ beeinflussen, bzw. die dann nur mangelhafte optische Freistellung könnte Probleme bei der elektronischen Bildverarbeitung verursachen.In order to be able to examine a sample by means of a microscope, it is generally necessary to apply the sample liquid to a microscope slide (OT) and flatten it with a coverslip (DG). Flattening serves the purpose of moving the sample holistically into the focal plane of the objective, while minimizing the thickness of the layer serves the purpose of preventing objects from lying behind the focal plane of the objective. This would adversely affect the image quality, or the then only insufficient optical exposure could cause problems in the electronic image processing.
Der Ablauf der Probenahme, des Aufbringens auf einen OT, des Auflegens eines DG und des Anbringens an einen Mikroskoptisch verursacht Arbeit und bedingt einen erheblichen Zeitversatz zwischen dem Moment der Probenahme und dem Vorliegen eines auswertbaren Bildes. Für eine Verwendung im Rahmen einer automatisierten Prozesssteuerung ist diese manuelle Methode der Mikroskopie nur unzureichend geeignet.The process of sampling, applying to a TDC, placing a DG, and attaching it to a microscope stage causes work and requires a significant time lag between the moment of sampling and the presence of an evaluable image. For use in the context of automated process control, this manual method of microscopy is insufficiently suitable.
Bei der konventionellen Methode kann ferner nicht ausgeschlossen werden, dass die Probe zeitweise mit der Atmosphäre in Kontakt steht. Dadurch besteht die Gefahr der Probenkontamination oder der Reaktion mit Luftsauerstoff.Further, in the conventional method, it can not be excluded that the sample is temporarily in contact with the atmosphere. This creates the risk of sample contamination or reaction with atmospheric oxygen.
Sollte die Probe gesundheitsschädliche Eigenschaften besitzen, so stellt der offene Umgang mit ihr ebenfalls einen Nachteil dar. Darüber hinaus muss das Personal gegebenenfalls für einen händischen Umgang mit einer bestimmten Substanz speziell geschult werden.If the sample has harmful properties, the open handling of it is also a disadvantage. In addition, the staff may need to be specially trained for a manual handling of a particular substance.
Ist die mikroskopische Auswertung abgeschlossen, muss das Präparat für gewöhnlich entsorgt werden, eine Rückführung der Probe in den Prozess ist meist nicht möglich. Dies stellt nicht nur einen weiteren Arbeitsschritt dar, speziell in Hinblick auf toxische, karzinogene, ätzende oder entflammbare Proben etc. können durchaus nennenswerte Kosten für die Entsorgung anfallen.Once the microscopic evaluation is complete, it is usually necessary to dispose of the specimen; it is usually not possible to return the sample to the process. This not only represents a further step, especially with regard to toxic, carcinogenic, corrosive or flammable samples, etc. may well incurred considerable costs for disposal.
Aufgabenstellungtask
Beschreibung der Erfindung:Description of the invention:
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die genannten Nachteile zu vermeiden, eine uneingeschränkte Prozesstauglichkeit zu gewährleisten und darüber hinaus eine möglichst einfache und praxisgerechte Handhabung bei gleichzeitig geringen Herstellungskosten zu ermöglichen.The object of the present invention is to avoid the disadvantages mentioned, to ensure unrestricted process capability and, moreover, to enable as simple and practical handling as possible while at the same time achieving low production costs.
Neben der Verwendung der Küvette im Anwendungsgebiet der Mikroskopie (z. B. Durchlicht, Auflicht, Dunkelfeld, oder Phasenkontrast) ist auch eine Verwendung in anderen Bereichen der Messtechnik, beispielsweise der Spektroskopie von stark absorbierenden Proben als Alternative für das ATR Prinzip (abgeschwächte Totalreflexion), angedacht.In addition to the use of the cuvette in the field of application of microscopy (eg transmitted light, incident light, dark field, or phase contrast) is also a use in other areas of measurement, for example, the spectroscopy of highly absorbent samples as an alternative to the ATR principle (attenuated total reflection) , thought.
Die Erfindung sieht einen geschlossenen Behälter mit Zu- und Ablauf vor, in welchem an zwei gegenüberliegenden Seiten optische Komponenten, im Folgenden Fenster genannt, angebracht sind, deren Abstand durch einen Mechanismus verändert werden kann und insbesondere sehr kleine Abstände realisiert werden können. Dadurch ist es möglich, von einer oder auch beiden Seiten Licht auf die im Inneren befindliche Probe zu strahlen und gleichzeitig auf einer oder auch beiden Seiten mittels einer geeigneten Optik, z. B. eines handelsüblichen Objektivs, ein Bild abzugreifen.The invention provides a closed container with inlet and outlet, in which on two opposite sides of optical components, hereinafter referred to as windows, are mounted, the distance can be changed by a mechanism and in particular very small distances can be realized. This makes it possible to radiate light from one or both sides of the sample located in the interior and at the same time on one or both sides by means of a suitable optics, for. B. a commercially available lens, an image tap.
Da für die Aufnahme eines scharfen Bildes, wie eingangs erwähnt, eine geringe Schichtdicke notwendig ist muss der Behälter so beschaffen sein, dass die beiden gegenüberliegenden Fenster nur einen geringen Abstand aufweisen. Ein geringer Abstand in diesem Sinne könnte zwischen z. B. einem und 100 Mikrometer liegen, vorteilhaft zwischen einem und 20 Mikrometer und besonders vorteilhaft zwischen einem und 5 Mikrometer.Since a small layer thickness is necessary for taking a sharp image, as mentioned at the outset, the container must be designed so that the two opposite windows have only a small distance. A small distance in this sense could be between z. B. one and 100 microns, advantageously between one and 20 microns and more preferably between one and 5 microns.
Die Anforderung an eine möglichst geringe Schichtdicke steht jedoch in Konflikt zu einer guten Durchströmbarkeit der Kavität, da geringe Strömungsquerschnitte bekanntermaßen mit einem hohen Druckverlust einhergehen.However, the requirement for the smallest possible layer thickness is in conflict with a good flow through the cavity, since small flow cross sections are known to be associated with a high pressure drop.
Die Erfindung sieht hier nun vor, für die Zeit der Spülung den Abstand zwischen den beiden Fenstern vergrößern zu können. Dies wird erreicht, indem eines der beiden Fenster beweglich gelagert ist und seine Position durch eine Kraftbeaufschlagung verändert werden kann. Idealerweise wird das als OT verwendete Fenster beweglich gelagert, während sich das als DG verwendete Fenster in einer fixen Position befindet. In anderen Ausführungsformen könnten die Positionen jedoch auch vertauscht sein. Im ersten Fall wird sichergestellt, dass sich die Entfernung von DG zu Objektiv nicht verändert und somit die Schärfeebene nicht ihre Position verliert. Da insbesondere bei stark vergrößernden Objektiven der Abstand zum DG sehr gering ist, wären zudem der Maximierung der Schichtdicke enge Grenzen gesetzt. Wird ein Immersionsmedium zur Verbesserung der optischen Abbildung oder einem anderen Zweck verwendet, ist es ebenfalls von Vorteil die Position des DG zum Objektiv hin unbeweglich zu gestalten, da sich andernfalls nach diversen Bewegungsvorgängen das Immersionsmedium wegdrücken könnte.The invention now provides, for the time of flushing to be able to increase the distance between the two windows. This is achieved by one of the two windows is movably mounted and its position can be changed by a force application. Ideally, the window used as OT is movably supported while the window used as DG is in a fixed position. However, in other embodiments, the positions could also be reversed. In the first case it is ensured that the distance from DG to lens does not change and thus the focal plane does not lose its position. Since the distance to the DG is very low, in particular with strongly magnifying lenses, the maximization of the layer thickness would also have narrow limits. If an immersion medium is used to improve the optical imaging or another purpose, it is also advantageous to make the position of the DG immobile to the lens, otherwise the immersion medium could be pushed away after various movement processes.
Zur Realisierung der beweglichen und gleichzeitig dichten Fensterlagerung sieht die vorliegende Erfindung in einer Ausführungs-form eine elastisch verformbare Komponente vor, in der z. B. mittig ein Sichtfenster eingesetzt wird. Diese Komponente, im Folgenden Membran genannt, kann z. B. aus einem Blech bestehen, welches gegebenenfalls zur Elastizitätssteigerung mit einer Prägung versehen wird. Ebenfalls möglich ist die Verwendung eines Elastomeres oder Polymeres als Membranmaterial.To realize the movable and at the same time dense window storage, the present invention provides in one embodiment an elastically deformable component in which z. B. a viewing window is used in the middle. This component, hereinafter referred to as membrane, z. B. consist of a sheet, which is optionally provided to increase the elasticity with an imprint. Also possible is the use of an elastomer or polymer as the membrane material.
Die Einbringung des Sichtfensters in die Membran kann mittels Kleben, Schrauben, Klemmen oder einer anderen technologieüblichen Technik geschehen. Das bzw. die Sichtfenster können bei Bedarf auch als Polarisationsfilter, Streuscheibe oder sonstige optische Komponente ausgestaltet sein, es muss sich nicht zwangsläufig um eine transparente Scheibe handeln.The introduction of the viewing window in the membrane can be done by gluing, screws, clamps or other technology conventional technology. If appropriate, the viewing window or windows can also be designed as a polarizing filter, diffusing screen or other optical component; it does not necessarily have to be a transparent pane.
Besteht die Membran in einer Ausführungsform aus einem transparenten Material, ist möglicherweise auch ein Verzicht auf eine separate Scheibe möglich. Die Membran dient in diesem Fall gleichzeitig als Sichtfenster. Die einfachste Möglichkeit der technischen Umsetzung ist die Verwendung eines folienartigen Materials. Sind höhere Anforderungen an den als OT verwendeten Bereich gegeben, bietet sich die Auslegung des Membran/Sichtfenster Bauteils als Spritzgussteil an, bei dem der biegsame Membranteil entsprechend dünn und somit flexibel modelliert ist und der als Sichtfenster dienende Mittelteil dicker, stabiler und mit besonderem Augenmerk auf eine glatte und saubere Oberfläche ausgestaltet ist.If, in one embodiment, the membrane is made of a transparent material, it may also be possible to dispense with a separate pane. The membrane serves in this case simultaneously as a viewing window. The simplest possibility of the technical implementation is the use of a film-like material. If higher demands are placed on the area used as TDC, the design of the membrane / viewing window component as an injection molded part is appropriate, in which the flexible membrane part is correspondingly thin and therefore flexibly modeled and the middle part serving as a viewing window thicker, more stable and with particular attention to a smooth and clean surface is designed.
In Patentschrift [
Abweichend zu den Patentschriften [
Die vorliegende Erfindung setzt sich ebenfalls von der in [
Die Küvette kann in zwei verschiedenen Versionen realisiert werden:
- 1) Ohne Kraftbeaufschlagung befinden sich beide Scheiben in Spülstellung, Schichtdicke ist maximiert. Durch Anlegen eines Unterdrucks wird der beweglich gelagerte OT an das DG gesaugt.
- 2) Ohne Kraftbeaufschlagung befinden sich beide Scheiben in Messstellung, Schichtdicke ist minimiert. Durch Anlegen eines Überdrucks wird der beweglich gelagerte OT vom DG weggedrückt.
- 1) Without applying force, both discs are in flushing position, layer thickness is maximized. By applying a negative pressure, the movably mounted TDC is sucked to the DG.
- 2) Without applying force both discs are in measuring position, layer thickness is minimized. By applying an overpressure, the movably mounted TDC is pushed away from the DG.
Ein nennenswerter Vorteil der ersten Variante besteht darin, dass bei einer durch Unterdruck erzeugten Messstellung, also bei minimaler Schichtdicke, das DG mit derselben Kraft gegen den OT drückt wie der OT gegen das DG. Es stellt sich ein stabiler Zustand ein bei dem DG und OT flächig aufeinander ruhen und in keiner Weise verbogen bzw. gewölbt werden, eine Bruchgefahr kann somit ausgeschlossen werden. Dies ist in Hinblick auf die geringe Materialstärke des DG bei mikroskopischen Anwendungen von besonderer Bedeutung. Gerade bei stark vergrößernden Objektiven beträgt diese häufig weniger als 1 mm (handelsübliche Mikroskopobjektive sind in der Regel für eine Deckglasstärke von 0,17 mm bei Brechungsindex n = 1,5255 korrigiert).A noteworthy advantage of the first variant is that with a measuring position generated by negative pressure, ie with a minimum layer thickness, the DG presses against the TDC with the same force as the TDC against the DG. It establishes a stable state in which the DG and OT rest flat against each other and are in no way bent or arched, a risk of breakage can thus be ruled out. This is of particular importance in view of the low thickness of the DG in microscopic applications. This is often less than 1 mm, especially for magnifying lenses (commercially available microscope objectives are usually corrected for a cover glass thickness of 0.17 mm with refractive index n = 1.5255).
Wird ein Unterdruck in der Küvette angelegt und beide Sichtfenster bewegen sich aufeinander zu, so führt die sich verringernde Schichtdicke zu einer Erhöhung des Druckverlustes beim Ablauf des zwischen den Sichtfenstern befindlichen Mediums. Dies führt mit abnehmender Schichtdicke zu einer stetigen Verlangsamung der Scheibenbewegung, bis diese in Abhängigkeit des angelegten Unterdruckes und der Viskosität des Mediums praktisch zum Erliegen kommt. Für wässrige Medien und einem moderaten Unterdruck im Bereich weniger Millibar lassen sich so Schichtdicken von einem Mikrometer problemlos innerhalb weniger Sekunden erreichen.If a vacuum is applied in the cuvette and both viewing windows move toward one another, the decreasing layer thickness leads to an increase in the pressure loss during the passage of the medium located between the viewing windows. This leads to a decreasing layer thickness to a steady slowing of the disc movement until it practically comes to a halt depending on the applied negative pressure and the viscosity of the medium. For aqueous media and a moderate negative pressure in the range of a few millibar, layer thicknesses of one micrometer can be achieved within seconds without any problems.
Sind hiervon abweichende Schichtdicken von Interesse, so lassen sich diese durch Einbringung eines gesonderten Abstandhalters realisieren. Ebenfalls möglich ist hierfür die Einbringung einer Tasche mit definierter Tiefe in eine der beiden Sichtfenster.If deviating layer thicknesses are of interest, these can be realized by introducing a separate spacer. Also possible for this is the introduction of a bag with a defined depth in one of the two viewing windows.
Um die Bewegung zur Messstellung hin zeitlich zu optimieren ist entscheidend, dass die Berührungsfläche zwischen OT und DG so klein wie möglich gehalten wird. Dies wird dadurch erreicht, dass mindestens eines der beiden Sichtfenster so klein wie möglich ausgelegt wird, limitierende Faktoren sind hierbei die Größe des Objektives als auch die Anforderungen an die Beleuchtung.In order to optimize the movement towards the measuring position, it is crucial that the contact surface between OT and DG is kept as small as possible. This is achieved by that At least one of the two viewing windows is designed as small as possible, limiting factors here are the size of the lens as well as the requirements of the lighting.
Eine weitere Verbesserung der Flüssigkeitsabführung kann durch die Einbringung von vertieften Kanälen in mindestens eine der beiden Sichtfenster erreicht werden. Diese Flussrinnen sind dabei so zu gestalten, dass das beobachtete Gegenstandsfeld nicht beeinträchtigt wird. Eine ähnliche Umsetzung ist beispielsweise in [
Für die zur Schichtdickenumstellung nötige Druckveränderung kann beispielsweise der Ablauf angedrosselt ausgeführt sein, was bei einer Beschickung von oben, beispielsweise durch Öffnen eines Ventils, zu einem Überdruck im Inneren der Küvette führt. Ist der Ablauf nach unten ausgeführt, so kann durch eine darin befindliche hängende Flüssigkeitssäule ein Unterdruck im Inneren der Vorrichtung erzeugt werden.For example, the flow can be throttled for the pressure change necessary for the layer thickness changeover, which leads to an overpressure in the interior of the cuvette at a top feed, for example by opening a valve. If the drain is downwards, a negative pressure can be generated in the interior of the device by means of a suspended liquid column located therein.
Um einen gänzlich aktuatorfreien Betrieb zu ermöglichen kann die Küvette auch konstruktiv mit einem Hebermechanismus kombiniert werden. Hierdurch kann ein kontinuierlicher Zulauf in ein periodisches Umstellen von Spül- zu Messstellung und zurück realisiert werden.To enable completely actuator-free operation, the cuvette can also be structurally combined with a lifting mechanism. In this way, a continuous inflow into a periodic changeover from rinsing to measuring position and back can be realized.
Ist beispielsweise aufgrund von ungünstigen Platzverhältnissen am Messaufbau die Ausführung mit Stand- bzw. Fallrohr nicht möglich, ist eine Drucksteuerung selbstverständlich auch mittels Pumpen möglich.If, for example, due to unfavorable space conditions on the test set-up, it is not possible to use a standpipe or downpipe, pressure control is of course also possible by means of pumps.
Die so beschriebene Küvette stellt durch ihren geschlossenen Aufbau sicher, dass weder Probenflüssigkeit in die Umgebung gelangen kann, noch Verunreinigungen (Staub, Sporen, Bakterien, etc.) in die Probe hineingelangen können. Hierdurch eignet sich die vorliegende Erfindung ideal zum Bypassbetrieb. Wenn die optische Auswertung der Probe in der Küvette abgeschlossen ist kann die Substanz in den laufenden Prozess zurückgeführt werden.The cuvette thus described ensures by its closed structure that neither sample liquid can get into the environment, nor impurities (dust, spores, bacteria, etc.) can get into the sample. As a result, the present invention is ideally suited for bypass operation. When the optical evaluation of the sample in the cuvette is complete, the substance can be recycled to the running process.
Um bei einer Wölbung der Membran einen Faltenwurf zu verhindern, ist es in bestimmten Anwendungen günstig, die Membran rotationssymetrisch auszugestalten. Die runde Membranform begünstigt eine ebenfalls runde Küvettengeometrie, was das Herstellungsverfahren des Drehens ermöglicht und somit im Vergleich zu anderen spanenden Verfahren einen minimalen Kostenaufwand bei der Fertigung bedeutet.In order to prevent wrinkling of the membrane a drape, it is beneficial in certain applications to design the membrane rotationally symmetrical. The round membrane shape also favors a round cuvette geometry, which allows the manufacturing process of turning and thus means a minimum cost of manufacturing compared to other machining processes.
Um speziellen Anforderungen im Hinblick auf Korrosionsbeständigkeit, Wärmeleitfähigkeit, elektrische Leitfähigkeit, etc. gerecht zu werden, kann die Küvette aus unterschiedlichsten Materialien hergestellt werden. Als naheliegendste seien genannt:
- 1) Metalllegierungen
- 2) Kunststoffe
- 3) Keramische Werkstoffe
- 4) Glas
- 1) metal alloys
- 2) plastics
- 3) Ceramic materials
- 4) glass
Bei geeigneter Wahl des Küvetten-, Membran- und Sichtfenstermaterials kann eine vollständige Lebensmittelechtheit gewährleistet werden, was den Einsatz der erfindungsgemäßen Küvette ins besondere in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie ermöglicht.With a suitable choice of the cuvette, membrane and Sichtfenstermaterials complete food authenticity can be ensured, which allows the use of the cuvette according to the invention in particular in the food and pharmaceutical industries.
Ebenfalls über die Möglichkeit der freien Materialwahl kann die erfindungsgemäße Küvette ohne Einschränkungen für die Sterilisation mittels Autoklav ausgelegt werden.Also on the possibility of free choice of material cuvette according to the invention can be designed without restrictions for sterilization by autoclave.
Neben Schrauben oder Klemmen kann ein sicherer Zusammenhalt der Komponenten auch durch den Einsatz eines bajonettartigen Verschlusses gewährleistet werden.In addition to screws or clamps, a secure cohesion of the components can also be ensured by the use of a bayonet-type closure.
Ausführungsbeispielembodiment
Detaillierte Beschreibung der Erfindung:Detailed description of the invention:
Nachfolgend wird eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Küvette an Hand von Zeichnungen beispielhaft erläutert. Es zeigtAn embodiment of the cuvette according to the invention will now be described by way of example with reference to drawings. It shows
Gemäß
Ein rundes Sichtfenster
Die Membran
Wird der Mittelteil
Das Mittelteil
Der Deckel
Die wie beschrieben zusammengesetzte Küvette wird in
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Deckelcover
- 22
- Mittelteilmidsection
- 33
- Bodenteilthe bottom part
- 44
- Membranmembrane
- 55
- Sichtfensterwindow
- 66
- Sichtfensterwindow
- 77
- Tüllespout
- 88th
- Flachdichtunggasket
- 99
- Flachdichtunggasket
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Legal Events
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R020 | Patent grant now final | ||
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